我們在美國的科學教育方面面臨著一場真正的危機。田納西州眾議員、眾議院科學和技術委員會主席巴特·戈登警告說，如果不大幅改進教學，中國和印度等國將在不久的將來踐踏美國經濟。事實上，我們的學校正在落後。在2006年國際學生評估專案（PISA）——一項受人尊敬的全球成就衡量標準中，美國15歲學生的平均科學成績低於57個參與國中的28個國家。（在數學方面，美國學生的表現甚至更差，落後於34個國家的同齡人。）
儘管進行了數十年的改革，美國在科學課堂上，特別是在高中階段，只取得了 modest 的進步。然而，國家研究委員會（NRC）最近的兩份報告提供了新的策略。題為《將科學帶入學校》和《預備、開始、科學！》，它們呼籲改變從小學開始的科學教學方式。與之前的建議不同，新的建議反映了神經科學和心理學關於幼兒如何思考以及他們如何獲取知識的最新發現。
過去的改革主要旨在使美國在其他國家中名列前茅，而最新的報告提出了明確的科學素養目標：學生必須能夠了解、使用和解釋自然世界的科學解釋；他們必須能夠生成和評估科學證據和解釋；他們必須能夠理解科學知識的本質和發展；並且他們必須能夠有意義地參與科學活動和討論。
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這四個相互關聯的目標編織了一種“實踐科學”的方法，這種方法得到了教育研究人員的廣泛認可。K-8年級的教學需要將科學呈現為一個動態過程。目前，大多數學校將科學打包成兩部分：循序漸進的科學方法和一系列毫無問題的事實。因此，大多數孩子對他們所看到的“真相”持有絕對的看法，並認為大多數知識來自直接觀察。隨著這些學生長大，許多人從未意識到科學是一項構建和修改理論的實踐。但是，所有學生——而不僅僅是那些打算從事科學事業的學生——都應該學習科學知識是如何構建的。對於任何希望作為負責任的成年人充分參與我們未來社會的人來說，基本的科學素養將是強制性的。
重新思考兒童如何學習
教育中一個長期存在的問題是，學生在不同年齡段可以學習什麼。直到最近，教育工作者和心理學家還認為，年齡本身決定了這種學習能力。他們認為，抽象思維需要相當長的時間才能發展，因此對於年齡較小的班級，教師通常側重於記憶而非理解。這種對兒童認知能力的有限看法源於1958年的一項研究，《從兒童期到青春期的邏輯思維發展》。在其中，兒童心理學之父讓·皮亞傑和他的同事芭貝爾·英海爾德斷言，沒有任何形式的指導可以加速邏輯思維的出現——通常在12歲時。
然而，更現代的研究表明，兒童在12歲之前就具備科學推理能力。在2004年對三年級和四年級學生進行的一項研究中，卡內基梅隆大學的大衛·克拉爾和匹茲堡大學的米萊娜·K·尼甘證明，如果給予適當的指導，年幼的兒童可以掌握受控實驗設計等抽象概念。甚至更早，從嬰兒期到學齡前，兒童觀察並與周圍的世界互動：他們開始瞭解物體如何移動以及生物如何生存；他們意識到不同的人持有不同的想法，等等。在某些情況下，他們可以區分因果關係，設計實驗，並使用模型和符號。
孩子們進入小學後，他們的技能迅速提高。教育工作者以前將這種飛躍完全歸功於認知發展。隨著更加成熟，孩子們擁有更長的注意力持續時間、更強的自律性和更快的處理速度。但是，成熟度不是推動學習的唯一力量。令人鼓舞的是，研究人員發現，進步在很大程度上取決於兒童先前的學習經歷。這些教育經歷的質量是關鍵，而不是孩子的年齡或發展階段，也不是他或她上學的早晚。
這些發現證實了學習理論家長期以來認識到的：當學生有一些知識基礎可以構建時，他們更容易掌握一個想法。研究人員現在正在積極追求所謂的學習進階，即學生從對某個學科的簡單看法轉變為複雜看法的概念路徑。例如，範德比爾特大學科學教育教授理查德·萊勒和莉奧娜·肖伯的開創性研究考察了學生如何使用基於模型的推理來發展對密度、生長和運動等主題的理解。透過與跨越多個小學的兒童合作，他們觀察到學生建立模型的能力穩步提高，從直接的描繪到更具象徵意義和數學價值的表示。
給定堅實的基礎，教師可以輕鬆地進行擴充套件。例如，當孩子已經對動物有一些瞭解時，引入鴨嘴獸就並不困難。其他概念上的補充只有在孩子們獲得其他領域的知識以及使用數學表示、符號和模型的能力時才會出現。一些新想法是如此違反直覺，以至於學生需要改變他們的整個思維方式。學生還必須培養元認知意識，並注意到他們的理解何時與課堂上產生的證據或科學理論有所不同。但是模式仍然相同：在任何學科中掌握知識的最成功途徑都遵循螺旋式路徑，學生定期回顧和完善他們的概念基礎。
更有效的教學
基於這些見解，NRC 報告倡導一種科學課程，該課程以不斷提高的複雜程度回顧主題。學生在許多年級加深他們對某個主題的理解，並磨練他們的科學能力。作者批評當前的標準有幾個方面：課程列出了太多離散的知識片段，沒有層次結構或有意義的順序；它們將技能與內容分離；並且它們過分強調方法。諸如 PISA 等將美國課程與其他國家課程進行比較的研究強調了這一點：總體上教授主題較少的國家得分更高。為此，新願景建議美國科學教育工作者專注於核心主題，例如原子-分子理論、進化論、細胞理論以及力和運動。
在《科學素養地圖集》中，美國科學促進會試圖繪製出哪些事實應該與科學中的此類核心概念相關聯，逐年級，以便學生最終組裝成一個完整、詳細的檢視。課程編寫者正在使用這些地圖來制定課程計劃，這些計劃透過精心設計的學習體驗來推進學生，而不僅僅是時間的流逝。最有效的學習體驗逐漸擴充套件了與科學進行真實互動所需的知識和技能——也就是說，以類似於科學家在現實世界中進行科學的方式。
像科學家一樣在課堂上真正做科學需要各種各樣的學習體驗，包括基於問題和專案的課程以及大量的社互動動。正如科學家之間的情況一樣，論證和討論有助於學生挑戰和磨礪彼此的想法，並闡明和檢查自己的想法。學生必須學習使用科學的專門語言進行口頭和書面表達，並且他們必須精通模型和其他數學工具的使用。加州大學伯克利分校的凱瑟琳·梅茨已經證明，即使是一年級學生也可以成對合作，概念化和實施他們自己設計的學習。訪談表明，幾乎所有孩子都能表達他們研究的目的、方法和結果。他們中有一半人還可以分析他們的設計並設計改進方法。
但是，由於孩子們缺乏經驗，他們需要教師仔細考慮的幫助，才能收穫他們獨立調查的成果。對於大多數學習者來說，完全自由的探索，或另一種極端情況，即食譜式指導，只能產生有限的學習成果。教師必須不斷掌握提供教學支架的關鍵時刻。這種支架——可以採取多種形式，包括口頭反饋、補充講義和軟體工具——使學生能夠達到僅憑認知發展無法達到的水平。
教師必須將學生已有的知識與指導他們成為具有科學素養的公民聯絡起來，這至關重要。教師應認識到每個學生先前的知識，尊重他們來自的不同背景，更重要的是，利用這些資訊來豐富和提升他們班級的科學實踐的意義。為了最大限度地幫助孩子在他們需要的地方和時間獲得幫助，報告建議教師將評估植入學習過程。透過不斷探究學生的理解，教師正在獲得與他們聯絡的最佳機會。
儘管新願景前景廣闊，但也帶來了重大挑戰。為在職教師提供專業發展和重新設計教室或實驗室空間的成本——以及額外材料的費用——可能會阻止處境不利的地區採納擬議的變更。此外，儘管沒有人質疑開發螺旋式課程的價值，該課程側重於隨著時間的推移回顧的較少核心主題，但選擇這些主題可能會引起爭議。實施這樣的課程也需要認真的協調：教師是否有足夠的機會與跨學校和年級的同行互動，以確保任何一個主題的無縫銜接？鑑於《不讓任何孩子掉隊法案》的限制，是否有足夠的課堂時間用於科學教學？是否有足夠的科學教師可用？在擬議的課程中，科學教師扮演著核心角色——一個需要廣泛的計劃和即興創作技巧，以及豐富的知識，不僅關於科學，還關於學生生活的文化和環境的角色。
最後，只有當學生有學習動機時，擬議的課程才能成功。如果他們缺乏內在的興趣或維持興趣所需的支援，他們將無法獲得新設計的體驗的好處。根據來自該領域教師的反饋，這個問題可能被證明是最難克服的。儘管科學思維過程對大多數孩子來說是自然的，但 NRC 檔案報告稱，學生常常對科學持有負面態度，這是基於糟糕的學習經歷或對科學運作方式的不準確看法。在某些情況下，學生根本不想將他們的腦力花在一個他們認為與他們的生活無關的學科上。但這種觀念與事實相去甚遠。當我們面臨諸如流感大流行和全球氣候變化等可怕威脅時，我們未來的命運取決於下一代學習科學的程度。